金相分析技术

金相分析技术前言2020/1/20豫联集团2相是组成材料、影响材料性能的一种微观结构单元，因此，为了得到具有理想性能的材料，十分有必要对其进行了解和研究。我们要求材料不仅在宏观上具有均匀统一的组织结构，还要求其在微观上协调、均匀。使材料在变形过程中各晶粒能够相互协调与配合，从而表现出理想的力学性能。内容金属的宏观性能和内部组织结构的关系相的形成过程金属的内部组织结构对宏观性能的影响研究金属组织结构的方法金相样品的制备结论2020/1/20豫联集团3金属材料的结晶2020/1/20豫联集团4金属材料的结晶2020/1/20豫联集团5结晶的基本过程：形核－长大。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。温度降低到一定时，一些大尺寸的晶胚将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2020/1/20豫联集团6不同金属的微观组织体系内部，物理性质和化学性质完全相同、均匀一致（用肉眼或普通显微镜观察）的部分称为一个相2020/1/20豫联集团7Zn-3%Mg合金共晶组织400XAl-4.5%Cu合金组织450X不同金属的微观组织Cu--20%Ni的铜合金铸态组织：由于非平衡结晶，呈现出树枝状晶体（枝晶偏析）放大倍数：100xCu--20%Ni合金均匀化退火组织：多边形晶粒放大倍数：100x2020/1/20豫联集团8不同的处理工艺对金属的影响枝晶偏析容易导致合金塑性，韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。Al-12%Si合金组织分析：块状晶+针状共晶放大倍数：100X2020/1/20豫联集团9Al-12%Si合金变质处理组织分析：树枝状初晶+共晶放大倍数：100X不同的处理工艺对金属的影响块状晶针状晶内容金属的宏观性能和内部组织结构的关系相的形成过程金属的内部组织结构对宏观性能的影响研究金属组织结构的方法金相样品的制备结论2020/1/20豫联集团10相图2020/1/20豫联集团11物质在温度、压力、成分变化时，其状态可以发生变化.根据相图可确定在热力学平衡条件下，不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。Al-Cu合金的相图2020/1/20豫联集团122020/1/20豫联集团13时效强化（沉淀强化）：铝合金的合金元素在铝中的固溶度随温度的降低而急剧减小。将铝合金加热到某一温度保温后水中淬火，可以得到过饱和铝基固溶体。将饱和铝基固溶体在室温或加热到某一温度时，就会析出第二相，此相会对晶格畸变产生不同影响，从而使合金的强度和硬度随时间的延长而提高。固溶强化:纯铝中加入合金元素时，会导致晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，从而提高铝的强度，同时获得优良的塑性和良好的压力加工性能。通常还通过随后的时效过程使铝合金的强度和塑性得到进一步提高。合金的强化机理Al-Cu合金的性质2020/1/20豫联集团14Al2Cu是一种强化相，参与固溶---沉淀强化，使合金再热处理后具有较高的机械性能，其机械加工性能也得到了改善。但抗腐蚀性能较差。2020/1/20豫联集团15Al－Mg2Si相图Al-Mg-Si合金Mg2Si在Al中的固溶度:共晶温度:1.85wt%，500ºC:1.05wt%200ºC:0.09wt%Al-Mg2Si系合金有明显的时效硬化效应2020/1/20豫联集团16Al-Mg-Si合金体系中Mg和Si的原子个数比为2/1，质量比为1.73时，Si刚好完全形成Mg2Si相，叫做平衡相合金体系。如果Mg/Si质量比小于1.73，则Si的含量超过形成Mg2Si当量所需的Si，形成硅过剩合金系。过剩硅可以提高合金的强度，但过剩硅的存在可能导致材料的脆性增加，所以硅含量一般不能超过太多。该系合金的特性：中等强度，耐腐蚀性能好，焊接性能好，工艺性能好（易挤压出成形）氧化着色性能好。Al-Mg-Si合金内容金属的宏观性能和内部组织结构的关系相的形成过程金属的内部组织结构对宏观性能的影响研究金属组织结构的方法金相样品的制备结论2020/1/20豫联集团172020/1/20豫联集团18不平衡结晶2020/1/20豫联集团19热处理对1235铝合金材料的影响2020/1/20豫联集团20复熔共晶球热处理对1235铝合金材料的影响2020/1/20豫联集团21回复与再结晶回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。再结晶：冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。（a）黄铜冷加工变形量达到CW＝38％后的组织（b）经580ºC保温3秒后的组织2020/1/20豫联集团22回复与再结晶（c）580ºC保温4秒后的金相组织（d）580ºC保温8秒后的金相组织2020/1/20豫联集团23回复与再结晶2020/1/20豫联集团24（e）580ºC保温15分后的金相组织（f）700ºC保温10分后晶粒长大的的金相组织回复与再结晶2020/1/20豫联集团25金属及合金的晶粒大小与金属材料的机械性能、工艺性能及物理性能有密切的关系。细晶粒金属的材料的机械性能、工艺性能均比较好，它的冲击韧性和强度都较高，在热处理和淬火时不易变形和开裂。粗晶粒金属材料的机械性能和工艺性能都比较差。金属材料的晶粒大小与浇铸工艺、冷热加工变形程度和退火温度等有关。金属材料的强度在很大程度上取决于晶粒的大小，正如Hall-Petch公式所描述的强度和晶粒尺寸之间的函数关系：σ＝σ0＋Kd-1/2式中：σ为屈服强度；σ0、K为常数；d为晶粒直径；晶粒尺度2020/1/20豫联集团26试验表明，由于晶界强度高于晶内，在拉力作用下，在晶界处呈竹节状。晶粒尺度2020/1/20豫联集团27晶粒细化在Al-Mg-Si合金材料中加入Mg进行晶粒细化2020/1/20豫联集团28•第二相粒子与基体晶粒尺寸属同一数量级，称为聚合型两相合金---第二相强化•第二相粒子细小而弥散地分布在基体晶粒中，称为弥散分布型两相合金----弥散强化。相的分布、形状、大小对材料的影响钢中的二次渗碳体硬脆相网状分布于晶界中，导致很大的应力集中，造成早期断裂，影响晶粒的结合，并使晶粒变形受阻而导致强度降低。2020/1/20豫联集团29相的分布、形状、大小对材料的影响硬脆相2020/1/20豫联集团30相的分布、形状、大小对材料的影响内容金属的宏观性能和内部组织结构的关系相的形成过程金属的内部组织结构对宏观性能的影响研究金属组织结构的方法金相样品的制备结论2020/1/20豫联集团312020/1/20豫联集团32金相分析金相分析是人们通过金相显微镜来研究金属和合金显微组织大小、形态、分布、数量和性质的一种方法。显微组织是指如晶粒、包含物、夹杂物以及相变产物等特征组织。利用这种方法来考查如合金元素、成分变化与显微组织的关系；冷热及其它加工对组织的影响；应用金相检验还可对产品进行质量控制和产品检验以及失效分析等。金相显微镜的成象原理2020/1/20豫联集团33人眼的鉴别能力：0.15~0.30mm。金相显微镜的放大原理：（1）物镜细节AB通过物镜得到放大的倒立实角A1B1。A1B1的细节虽已为被区分开，但其尺度仍很小，仍不能为人眼所鉴别，因此，还需第二次放大。（2）目镜当经第一级放大的倒立实象处于目镜的主焦点以内时，人眼可通过目镜观察到二次放大的A3B3的正立虚象。观察物体的细节经物镜放大后的实象落到目镜主焦点以内后，人眼观察可看到经两次放大后的虚象。A3B3虚象就是经物镜和目镜两次放大后的组合物象。2020/1/20豫联集团34金相显微镜的成象原理显微镜总的放大倍数2020/1/20豫联集团35金相显微镜的成象原理任何一种金相显微镜均主要由光学系统、照明系统、机械系统、附件装置(包括摄影或其它装置)组成。金相显微镜的构造2020/1/20豫联集团361—载物台2—镜臂3—物镜转换器4—微动座5—粗动调焦手轮6—微动调焦手轮7—照明装置8—底座9—平台托架10—碗头组11—视场光阑12—孔径光阑4×型金相显微镜的机械结构内容金属的宏观性能和内部组织结构的关系相的形成过程金属的内部组织结构对宏观性能的影响研究金属组织结构的方法金相样品的制备结论2020/1/20豫联集团372020/1/20豫联集团38试样制备试样制备工作包括许多技巧，需要有长期的实践经验才能较好地掌握；同时它也比较费时和单调，往往使人感到厌烦。由于研究材料各异，金相显微制样的方法多种多样，其程序通常可分为取样、镶样、磨光、机械抛光(或电解概抛光、化学抛光)、腐蚀等几个主要工序，无论哪一个工序操作不当，都会影响最终效果。因此，不应忽视任何一个环节。不适当的操作可能形成“伪组织”导致错误的分析。取样2020/1/20豫联集团39选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析的极其重要的一步，包括选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。一、取样部位的选择取样部位及检验面的选择取决于被分析材料或零件的特点、加工工艺过程及热处理过程，应选择有代表性的部位。生产中常规检验所用试样的取样部位、形状、尺寸都有明确的规定(详见有关行业和国家颁布标准)。例如：零件失效分析的试样，应该根据失效的原因，分别在材料失效部位和完好部位取样，以便于对比分析。对铸件，必须从表面到心部，从上部到下部观察其组织差异，以了解偏析情况，以及缩孔疏松及冷却速度对组织的影响。取样2020/1/20豫联集团40二、试样的截取取样时，应保证被观察的截面不会因为截取而产生组织变化，因此对不同的材料要采用不同的截取方法：1、对于软材料，可以用锯、刨等加工方法；2、对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法。3、对于硬而脆的材料，可以用锤击方法。4、在大工件上取样，可用氧气切割等方法。5、在用砂轮切割或电火花切割时，应采取冷却措施，以免试样因受热而引起组织变化。取样2020/1/20豫联集团41三、试样尺寸金相试样的大小以便于握持、易于磨制为准。通常显微试样为直径15mm、高15~20mm的圆柱体或边长为15~25mm的立方体。对于形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，要进行镶嵌或机械夹持。1、试样取下后，一般黑色金属要用砂轮打平，对于很软的材料(如铝、铜、镁等有色金属)可用锉刀锉平。2、磨砂轮时应利用砂轮的侧面，并使试样沿砂轮径向缓慢往复移动，施加压力要均匀。这样既可以保证使试样磨平，还可以防止砂轮侧面磨出凹槽，使试样无法磨平。3、在磨制过程中，试样要不断用水冷却，以防止试样因受热升温而产生组织变化。4、在一般情况下，试样的周界要砂轮或锉刀磨成45°角，以免在磨光及抛光时将砂纸和抛光织物划破。取样2020/1/20豫联集团422020/1/20豫联集团43磨光分为粗磨与精磨。(1)粗磨粗磨的目的是为整平试样，并磨成合适的形状。金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。该道工序本身应做到尽可能减少损伤，以便于进行下道工序。磨光2020/1/20豫联集团44图为试样经过切割加工及磨光工序后，表面变形层厚度变化示意图。图中A、B、C均为变形层，越往里，变形量越小，D为未受损伤的组织。此过程要注意防止金属过分发热。磨光(2)精磨精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础。精磨通常是在砂纸上进行。精磨时可用水作润滑剂进行手工湿磨或机械湿磨，通常使用粒度为240、320、400、600四种水砂纸进行磨光后即可进行抛光。对于较软金属，应用更细的砂纸磨光后再抛光。对于有一定数量的试样，精磨可用手工湿磨机进行。2020/1/20豫联集团45磨光手工湿磨：将砂纸粘贴在平板玻璃上磨制时，将试样磨面平放在砂纸上，直线向前推。退回时离开